多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料及其制備工藝的制作方法

文檔序號：3348986閱讀：199來源：國知局

專利名稱：多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料及其制備工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及金屬基復合材料及制備方法，尤其涉及一種多相陶瓷混雜復合增強金
屬基復合材料及其制備工藝。
背景技術：
金屬基復合材料是現代高新科學技術發展與應用的一個重要領域，既具有基體的優點，又兼備引進增強相所產生的特性，如高比強度、高比剛度、高比韌性、耐高溫、抗疲勞等特性。其中，研究較多的是鋁基、鎂基和鈦基等金屬基復合材料。該類材料適于制造新型環保活塞、氣缸、剎車片等部件，同時也是制造連桿、傳動裝置等的理想材料。在眾多復合材料的研究與制備過程中，添加的增強相的尺寸、形狀、分布及其與界面的結合強度對新型金屬基復合材料性能影響很大。傳統金屬基復合材料的制備原理是將單一增強相外加到基體中或在基體中生成單一的增強相來達到改善基體的某方面特性或綜合性能，如材料的強度、耐高溫等性能。實踐證明，上述兩種方法都存在各自的缺點，譬如將單一增強相外加到基體中的工藝由于在制備和澆注過程中因增強相自身重力作用而發生偏析或聚集，使得增強相在基體中分布均勻性差，復合材料性能低；而在基體中生成單一增強相的工藝因增強相的含量有限，難以制備出高性能的金屬基復合材料。國內外對單一技術制備金屬基復合材料的研究很多，如采用真空反壓滲、噴射共沉積等工藝技術來引入增強相制備金屬基復合材料，但上述工藝存在增強相尺寸大、界面結合差等問題，且只適合實驗室研究與應用制備，難適合規模化生產的需要。采用真空攪拌鑄造和原位復合工藝結合的復合制備技術可以改善單一制備方法的不足，使不同增強相自身的特性得到相互補充，產生多相混雜復合強化效應，進一步提高材料性能。文獻檢索發現，中國專利01140427. 2介紹了利用粉末冶金法制備鋁基復合材料的工藝方法，但該方法存在增強顆粒價格高，工藝復雜等問題，未能滿足規模化生產要求。而且，此法制備的復合材料中增強相與基體之間潤濕性差、界面反應難控制。中國專利 200610041896. 3介紹一種高強耐熱混雜增強鋁基復合材料的制備方法，制備了 Al3Ti、 TiB2 和SiC混雜增強的鋁基復合材料，但該工藝的缺點是制備的Al3Ti為脆性硬質相，不利于復合材料性能的發揮，反應鹽渣難清理徹底，而且在常規條件下難以除盡熔體中的氣體，降低材料性能，增強相的含量有限，未能很好發揮增強顆粒的增強效果及其協同作用。文獻《(TiB2+SiC) /ZL109復合材料的制備及其力學性能》(趙德剛，《鑄造》，2004， 53 (2) :97-100) 用原位合成和攪拌鑄造相結合的方法制備混雜增強鋁基復合材料，其工藝存在攪拌不充分、易巻氣、清理反應鹽渣時易將SiC顆粒清理掉等問題，且所制備的復合材料顆粒含量有限(4% SiC+2% TiB2)，增強相之間無明顯相互作用，未體現出材料性能比單一增強相增強的復合材料有較大提高的優越性，又存在難以除盡材料中的氣體等問題。

發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的不足，提供一種多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料及制備工藝，旨在有效解決顆粒增強金屬基復合材料存在的強度、模量等性能低、顆粒均勻性差、單一增強相增強效果不足等問題。
本發明的目的通過以下技術方案來實現多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料，特點是基體為鋁及其合金，鎂及其合金，混雜增強相為TiC、TiB2及SiC顆粒。TiC和TiB2的質量百分數分別為4 20wt % ， SiC 顆粒的體積百分比為4 25vol% 。進一步地，多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料的制備工藝，加入經烘干 M-Ti (M = Al、 Mg)中間合金、MBF4(M = K、 Na)反應鹽原位生成TiC、 TiB2增強相，并通過真空攪拌鑄造法進行SiC顆粒的復合加入，并加以快速攪拌工藝，制備出組織性能優良的多相陶瓷混雜增強(TiC+TiB^SiC)/M(M二Al及其合金、Mg及其合金)金屬基復合材料，其特征在于具體包括以下步驟—— ①將基體熔化后，用覆蓋劑覆蓋基體熔體，升溫至660 900°C ;
②對熔融的基體進行細化變質、打渣、精煉和除氣處理； ③溫度達660 90(TC時，通入氬氣保護，在基體熔體中加入經烘干的Al-Ti中間合金(或Mg-Ti中間合金)、KBF4反應鹽(或NaBF4反應鹽)和B4C預制塊(或Al-Ti-C預制塊)，其加入量按分別生成4 20wt^的TiC、 TiB2增強相加以控制，并以500 2000r/ min的速度攪拌10 20min ; ④待反應結束后，清除反應鹽渣，在真空條件下進行增強相SiC顆粒的攪拌鑄造復合工藝，控制SiC顆粒的含量在4 25vol % ;復合結束后在真空條件下精煉和除氣處理，靜置，卸真空，扒去浮渣，再次靜置后進行澆注。更進一步地，上述的多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料的制備工藝，覆蓋劑為CH-T型無鈉型覆蓋劑。再進一步地，上述的多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料的制備工藝，步驟增強相SiC顆粒攪拌鑄造復合工藝的攪拌速度為300 2500r/min，攪拌時間30 60min，攪拌溫度660 900°C。再進一步地，上述的多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料的制備工藝，步驟④ 所述真空條件的絕對壓力為0. 01 X 10—2MPa 1 X 10—2MPa。再進一步地，上述的多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料的制備工藝，步驟④
扒去浮渣，于730 78(TC靜置10 15min后，進行澆注。本發明技術方案突出的實質性特點和顯著的進步主要體現在 ①本發明利用鹽_中間合金和真空攪拌鑄造工藝相結合的技術制備高性能金屬
基復合材料，原位內生的TiC、TiB2顆粒細小(100 200nm)，表面潔凈，增強相利用率高，在
基體中均勻分布，TiC、 TiB2顆粒與基體具有良好的界面結合及共格關系，并能有效地細化
晶粒；真空攪拌鑄造復合的SiC顆粒分布均勻，幾乎未有團聚的現象； ②制備的TiC、 TiB2增強相的質量分數容易控制，反應副產物易清理徹底，熔體干凈；增強相SiC顆粒的加入顯著提高材料的耐磨和耐熱特性，而TiC、 TiB2的生成又在很大程度上阻止SiC顆粒因自身重力作用而產生的偏析或偏聚，改善SiC顆粒在復合材料中的
4分布均勻性；制備的金屬基復合材料的彈性模量、常溫與高溫力學性都能有明顯提高，為進一步開發高性能復合材料提供依據； ③制備工藝簡便，原材料來源廣泛，成本低廉，為工業化生產性能優異的金屬基復合材料奠定良好的基礎；該工藝與熱擠壓結合可使材料進一步強化，改善增強相的分布均勻性，廣泛地應用于宇航、汽車等領域的高強金屬基復合材料的制備，市場應用前景潛力巨大。
具體實施例方式
本發明提供一種多相陶瓷復合混雜增強金屬基復合材料及制備工藝，制備更穩定、性能優良的增強相，多相顆粒(如TiC、 TiB2、SiC)在基體中均勻彌散分布，在解決外加 SiC顆粒的重力偏析缺陷的同時也改善了單一TiB2或TiC顆粒增強金屬基復合材料模量低的缺點，綜合發揮了兩種單一制備工藝方法的優勢，復合材料中基體和增強顆粒的界面干凈，結合良好，顆粒分布均勻，進一步提高和改善了金屬基復合材料的性能。
多相陶瓷復合混雜增強金屬基復合材料以鋁及其合金，或鎂及其合金為基體，增強相為原位內生的納米級TiC、TiB2顆粒，及通過真空攪拌鑄造復合工藝引入的SiC陶瓷顆粒，TiC、TiB2的質量百分數分別為4 20wt%， SiC顆粒的體積百分比為4 25vol%。
該多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料的制備方法，通過原位內生和真空攪拌鑄造工藝相結合的復合制備工藝來實現，采用覆蓋劑覆蓋及氬氣惰性氣體保護，先利用鹽_中間合金反應法制備內生TiC、TiB2增強的(TiC+TiB2)/M(M = Al及其合金，Mg及其合金)復合材料母體，之后在真空環境中通過攪拌鑄造法進行SiC的復合，從而制得高性能多相陶瓷混雜復合增強(TiC+TiB2+SiC)/M(M = Al及其合金，或Mg及其合金)金屬基復合材料，具體工藝過程是①在熔煉坩堝內加入鋁及其合金或鎂及其合金基體(已有牌號的鋁、鎂及其合金，或其它新型鋁、鎂合金)，基體完全熔化后，用CH-T型無鈉型覆蓋劑覆蓋基體熔體，升溫至660 900°C ;②對熔融基體進行細化變質、打渣、精煉和除氣等工藝；③溫度在660 90(TC時，通氬氣保護，在基體熔體中加入經烘干的M-Ti (M = Al或Mg)中間合金、 MBF4(M = K或Na)反應鹽和B4C (或Al-Ti-C)預制塊，其加入量按分別生成4 20wt^的 TiC、TiB2增強相加以控制，并以500 2000r/min的速度攪拌10 20min ;④反應結束后，清除反應鹽渣，在真空爐(絕對壓力為0. 01X 10—2MPa IX 10—2MPa)內進行SiC顆粒的攪拌復合工藝，攪拌速度為300 2500r/min，攪拌時間30 60min，攪拌溫度660 900°C，控制SiC顆粒的體積比在4 25vol^，混雜增強相TiC、 TiB2、 SiC的質量比為1 : (1 2. 5) : (1 5);復合結束后進行真空(絕對壓力為0. 01 X 10—2MPa 1 X 10—2MPa)精煉和除氣處理，靜置，卸去真空，扒去浮渣，于730 78(TC靜置10 15min后，澆注，制備出組織性能優良的(TiC+TiB2+SiC)/M(M = Al及其合金，Mg及其合金)金屬基復合材料。
以下通過具體的實施例對本發明的技術方案作進一步的描述。
實施例1 多相陶瓷復合混雜增強金屬基復合材料具體為(TiC+TiB2+SiC)/ZL108鋁基復合材料。選用ZL108鑄鋁合金為基體，在熔爐中采用普通鋁合金熔煉法對基體進行熔配，待基體熔化后，對熔體細化變質、打渣、精煉。在熔體表面加入CH-T型無鈉型覆蓋劑后升溫到660 90(TC，通氬氣，加入經預熱的Al-Ti中間合金、KBF4反應鹽和B4C預制塊，其加入量按生成增強相TiC、 TiB2的質量百分比分別控制在4%、6%，并以500 2000r/min轉速攪拌10 20min ;待反應結束后，清除反應鹽渣，在真空爐內進行增強相SiC顆粒的攪拌復合工藝，控制SiC顆粒的體積百分比在5X，增強相TiC、TiB2、SiC的質量比為1 : 1.5 : 1。啟動攪拌系統，以1200r/min的轉速攪拌20 30min，待顆粒均勻分布后，對熔體進行真空精煉除氣處理，卸去真空，扒去浮渣，靜置10 15min，靜置溫度730 780°C ，進行澆注。將該復合材料進行T6熱處理工藝后，(TiC+TiB2+SiC)/ZL108鋁基復合材料的力學性能Rm = 342MPa， HB = 135， A = 2. 1 % ， E = 96GPa。
實施例2 多相陶瓷復合混雜增強金屬基復合材料具體為(TiC+TiB2+SiC) /2024鋁基復合材料。選用2024為基體，在熔煉爐中采用普通鋁合金熔煉法對基體進行熔配，待基體熔化后，對熔體細化變質、打渣、精煉。在熔體表面加入CH-T型無鈉型覆蓋劑后升溫到660 900°C ，通氬氣，加入經預熱的Al-Ti中間合金、NaBF4反應鹽和Al-Ti-C預制塊，其加入量按生成增強相TiC、TiB2的質量百分比分別控制在8 % 、 10 % ，并以500 2000r/min轉速攪拌 10 20min ;待反應結束后，清除反應鹽渣，在真空爐內進行增強相SiC顆粒的攪拌復合工藝，控制SiC顆粒體積百分比在15X，增強物TiC、TiB2、SiC的質量比為l : 1. 5 : 2。啟動攪拌系統，以1000 1300r/min的轉速攪拌20 30min，待顆粒均勻分布后，對熔體進行真空精煉除氣處理，之后卸去真空，扒去熔體表面浮渣，靜置10 15min，靜置溫度730 78(TC，進行澆注。將該復合材料進行T6熱處理工藝后，(TiC+TiB2+SiC)/2024鋁基復合材料的力學性能Rm = 414MPa， HB = 125， A = 3. 1%， E = 101GPa。
實施例3 多相陶瓷復合混雜增強金屬基復合材料具體為(TiC+TiB2+SiC)/AZ31鎂基復合材料。選用AZ31為基體，在熔煉爐中采用普通鎂合金熔煉法對基體進行熔配，待基體熔化，對熔體細化處理、打渣、精煉。在熔體表面加覆蓋劑后升溫到660 900°C ，通氬氣，加入經預熱的Mg-Ti中間合金、KB^反應鹽和B4C預制塊，其加入量按生成物TiC、TiB2的質量百分比分別控制在10%、20%，并以500 2000r/min轉速攪拌10 20min ;待反應結束，清除反應鹽渣后，在真空爐內進行增強相SiC顆粒的攪拌復合工藝，控制SiC顆粒體積百分比在10X，增強物TiC、 TiB2、 SiC的質量比為1 : 1 : 1.2。啟動攪拌系統，以1200r/min轉速攪拌20 30min，待顆粒均勻分布后，對熔體進行真空精煉除氣處理，卸去真空，扒去浮渣，靜置10 15min，靜置溫度730 78(TC，進行澆注。將該復合材料進行T6熱處理工藝后，(TiC+TiB2+SiC)/AZ31鎂基復合材料的力學性能Rm = 387MPa， HB = 110， E = 96GPa。
實施例4 多相陶瓷復合混雜增強金屬基復合材料具體為(TiC+TiB2+SiC)/AZ91鎂基復合材料。選用AZ91為基體，在熔煉爐中采用普通鎂合金熔煉法對基體進行熔配，待基體熔化，對熔體細化處理、打渣、精煉。在熔體表面加覆蓋劑后升溫到660 90(TC，通氬氣，加入經預熱的Mg-Ti中間合金、NaBF4反應鹽和Al-Ti-C預制塊，其加入量按生成物TiC、TiB2 的質量百分比分別控制在10%、12%，并以500 2000r/min轉速攪拌10 20min ;待反應結束后，清除反應鹽渣，在真空爐內進行增強相SiC顆粒的攪拌復合工藝，控制SiC顆粒體積百分比在25X，增強物TiC、 TiB2、 SiC的質量比為1 : 1. 2 : 1. 6。啟動攪拌系統，以 1200r/min的轉速攪拌20 30min，待顆粒均勻分布后，對熔體進行真空精煉除氣處理，卸去真空，扒去浮渣，靜置10 15min，靜置溫度730 78(TC，進行澆注。將該復合材料進行 T6熱處理工藝后，(TiC+TiB2+SiC)/AZ91鎂基復合材料的力學性能Rm = 406MPa，HB = 120， E = 100GPa。
實施例5 多相陶瓷復合混雜增強金屬基復合材料具體為(TiC+TiB2+SiC) /7075鋁基復合材料。選用7075為基體，在熔煉爐中采用普通鋁合金熔煉法對基體進行熔配，待基體熔化后，對熔體細化處理、打渣、精煉。在熔體表面加覆蓋劑后升溫到660 900°C ，通氬氣，加入經預熱的Al-Ti中間合金、NaBF4反應鹽和B4C預制塊，其加入量按生成增強相TiC、 TiB2 的質量百分比分別控制在8%、20%，并500 2000r/min轉速攪拌10 20min ;待反應結束后，清除反應鹽渣，在真空爐內進行增強相SiC顆粒攪拌復合工藝，控制SiC顆粒體積百分比在20X，增強物TiC、 TiB2、 SiC質量比為1 : 1.5 : 2. 5。啟動攪拌系統，以1000 1300r/min的轉速攪拌20 30min，待顆粒均勻分布后，對熔體進行真空精煉除氣處理，之后卸去真空，扒去熔體表面浮渣，靜置10 15min，靜置溫度730 78(TC，進行澆注。將該復合材料進行T6熱處理工藝后，(TiC+TiB2+SiC)/2024鋁基復合材料的力學性能Rm = 784MPa， HB = 165， A = 3. 3%， E = lllGPa。綜上所述，本發明利用原位內生和真空攪拌鑄造相結合的工藝，解決了單一增強相的金屬基復合材料彈性模量不高的問題，又改善和克服了外加顆粒因重力作用而產生的偏析或聚集現象。所制備的復合材料中增強相顆粒表面潔凈，與基體結合良好，在基體中分散均勻好，充分發揮多相混雜增強的互補作用及其優點，顯著改善和提高復合材料的各項性能，可規模化生產。工藝簡潔，可操作性強，為工業化生產綜合性能優異的金屬基復合材料奠定了良好的基礎，應用前景廣闊。以上僅是本發明的具體應用范例，對本發明的保護范圍不構成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術方案，均落在本發明權利保護范圍之內。
權利要求
多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料，其特征在于材料的基體為鋁及其合金、鎂及其合金，混雜增強相為TiC、TiB2及SiC顆粒，TiC和TiB2的質量百分數分別為4～20wt％，SiC顆粒的體積百分比為4～25vol％。
2. 權利要求1所述的多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料的制備工藝，其特征在于具體包括以下步驟——① 將基體熔化后，用覆蓋劑覆蓋基體熔體，升溫至660 900°C ;② 對熔融的基體進行細化變質、打渣、精煉和除氣處理；③ 溫度達660 90(TC時，通入氬氣保護，在基體熔體中加入經烘干的Al-Ti中間合金或Mg-Ti中間合金、KBF4反應鹽或NaBF4反應鹽和B4C預制塊或Al-Ti-C預制塊，其加入量按分別生成4 20wt^的TiC、 TiB2增強相加以控制，并以500 2000r/min的速度攪拌 10 20min ;④ 待反應結束后，清除反應鹽渣，在真空條件下進行增強相SiC顆粒的攪拌鑄造復合工藝，控制SiC顆粒的含量在4 25vol% ;復合結束后在真空條件下精煉和除氣處理，靜置，卸真空，扒去浮渣，再次靜置后進行澆注。
3. 根據權利要求2所述的多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料的制備工藝，其特征在于覆蓋劑為CH-T型無鈉型覆蓋劑。
4. 根據權利要求2所述的多相陶瓷復合混雜增強金屬基復合材料的制備工藝，其特征是在于，步驟④增強相SiC顆粒攪拌鑄造復合工藝的攪拌速度為300 2500r/min，攪拌時間30 60min，攪拌溫度660 900°C 。
5. 根據權利要求2所述的多相陶瓷復合混雜增強金屬基復合材料的制備工藝，其特征在于，步驟④所述真空條件的絕對壓力為0. 01 X 10—2MPa 1 X 10—2MPa。
6. 根據權利要求2所述的多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料的制備工藝，其特征在于步驟④扒去浮渣，于730 78(TC靜置10 15min后，進行澆注。
全文摘要
本發明涉及多相陶瓷混雜復合增強金屬基復合材料及制備工藝，材料的基體為鋁及其合金，鎂及其合金，混雜增強相為原位內生的TiC、TiB2和真空攪拌鑄造法加入的SiC顆粒，增強相TiC、TiB2顆粒的質量百分數分別為4～20wt％，SiC顆粒的體積百分比為4～25vol％。制備工藝先熔煉基體，并對基體進行細化、打渣、精煉和除氣；通氬氣保護，然后進行原位內生反應和真空攪拌鑄造復合工藝，再經過真空精煉和除氣處理，卸真空，扒去浮渣及氧化物夾雜，靜置后進行澆注，制得高性能多相陶瓷混雜復合增強(TiC+TiB2+SiC)/M(M＝Al及其合金，Mg及其合金)金屬基復合材料。本發明充分發揮多相混雜增強的互補作用及其優點，顯著改善復合材料的各項性能；工藝簡單，易于規模化生產。
文檔編號C22C1/10GK101748306SQ20081024318
公開日2010年6月23日申請日期2008年12月2日優先權日2008年12月2日
發明者樂永康, 張建平, 毛建偉申請人:蘇州有色金屬研究院有限公司

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